新型磚粉砌塊材料的制備及其強(qiáng)度

陳 博，翟愛(ài)良，王金龍

山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018

長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)城鄉(xiāng)建筑物中大量使用粘土磚作為承重或圍護(hù)材料[1]，由于在房屋拆遷、磚瓦生產(chǎn)、運(yùn)輸及砌筑過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生大量的固體廢棄碎磚瓦塊[2]，我國(guó)目前及今后一個(gè)時(shí)期廢棄粘土磚瓦數(shù)量巨大[3]，每年產(chǎn)生約8×106t[4]。這其中絕大部分未經(jīng)任何處理，便被運(yùn)往郊外或鄉(xiāng)村[5]，采用露天堆放或填埋的方式進(jìn)行處理[6]，不僅耗用了大量的耕地及垃圾清運(yùn)等建設(shè)經(jīng)費(fèi)，而且給環(huán)境治理造成了很大的壓力[7]，不符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[8]。目前，廢棄磚的資源化再利用分為直接利用和再生利用[9]，其直接利用包括回填材料和基礎(chǔ)墊層；再生利用分為硅鈣制品、免燒磚、再生骨料、再生膠凝材料和再生水泥[10]。本試驗(yàn)將廢棄粘土磚粉碎制成磚粉，并作為主要原料制備磚粉砌塊，研究這種新型磚粉砌塊制備技術(shù)及其強(qiáng)度性能，以將其作為承重或圍護(hù)材料應(yīng)用于規(guī)模巨大的土建工程，大幅減少水泥用量，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)建筑垃圾的二次利用，生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益顯著。

1 磚粉砌塊材料的制備

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 磚粉 采用山東省泰安市創(chuàng)業(yè)大街某磚混結(jié)構(gòu)房屋拆遷產(chǎn)生的廢棄黏土磚，首先用錘子將廢棄黏土磚敲成塊狀，將塊狀磚放入顎式破碎機(jī)中破碎，用200 目的篩子篩出0.075 mm 的磚粉。對(duì)磚粉進(jìn)行XRD 衍射試驗(yàn)分析，分析表明，磚粉的主要化學(xué)成分是SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，含有少量的CaO和SO3，SiO2的含量為49.209%，F(xiàn)e2O3含量為6.057%，Al2O3的含量為15.28%，CaO 的含量為9.669%，MgO 的含量為4.146%，SO3的含量為0.698%。

1.1.2 水泥 試驗(yàn)水泥選用泰山魯域水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，密度為3.04 g/cm3，28 d 抗壓強(qiáng)度54.3 MPa。試驗(yàn)用水泥物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1 所示。

1.1.3 土壤固化劑 氯星牌液態(tài)土壤固化劑；

1.1.4 生石灰300 目，CaO 含量不低于85%；

1.1.5 石膏300 目，二水石膏；

1.1.6 水 磚粉砌塊創(chuàng)制用水選用泰安市自來(lái)水公司的自來(lái)水。

表1 P·O42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥的主要物化指標(biāo)（%）Table.1 Main physicochemical indexes of P.O42.5 grade ordinary portland cement

1.2 配合比設(shè)計(jì)

為了集中研究磚粉摻量對(duì)磚粉砌塊強(qiáng)度的影響，采用不同含量的磚粉替代水泥，在前期試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，石灰按15%定量稱取，石膏按5%定量稱取，水膠比定為0.4。A 組試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 A 組試驗(yàn)方案Table 2 Group A test scheme

為了集中研究土壤固化劑對(duì)磚粉砌塊強(qiáng)度的影響，B 組試驗(yàn)中，在砌塊中摻加土壤固化劑。B組試驗(yàn)中，水膠比定為0.35，共5 組配比，每組配比中，磚粉按71%定量稱取，石灰按22%定量稱取，石膏按7%定量稱取，土壤固化劑摻量分別為0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。土壤固化劑的重量為石灰、石膏和磚粉重量之和與土壤固化劑摻量的乘積。

1.3 砌塊制備方法

試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。

將水加入金屬容器中，同時(shí)加入水泥、石灰和石膏，將金屬容器固定在支承在攪拌器的支架上，然后開(kāi)動(dòng)攪拌器，低速攪拌30 s 后，在第二個(gè)30 s 開(kāi)始的同時(shí)均勻?qū)⒋u粉加入。砂子分級(jí)裝吋，應(yīng)從最粗粒級(jí)開(kāi)始，依次加入，在高速攪拌30 s。

振動(dòng)成型。將空試模和模套固定在振實(shí)臺(tái)上，直接從攪拌器中將膠砂分為兩層裝入試模，裝第一層時(shí)，每個(gè)槽里約放300 g 拌合料，用大播料器垂直架在模套頂部，沿每個(gè)模槽來(lái)回一次將料層播平，接著振實(shí)60 次。再裝入第二層拌合料，用小播料器播平，再振實(shí)60 次。移走模套，從振實(shí)臺(tái)上取下試模，并用刮尺以90o的角度架在試模頂?shù)囊欢耍卦嚹ｉL(zhǎng)度方向以橫向鋸割動(dòng)作慢慢向另一端移動(dòng)，一次將超出試模的拌合料刮去。并用同一直尺在近乎水平的情況下將試件表面抹平，編號(hào)后，將試模放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)箅板必須水平。成型后20 h～24 h 內(nèi)脫模。脫模時(shí)要非常小心，應(yīng)防止試件損傷。試件脫模后在養(yǎng)護(hù)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。

1.4 試驗(yàn)方法

依據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)》GB／T17671-1999 測(cè)試砌塊的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 磚粉摻量對(duì)磚粉砌塊強(qiáng)度的影響

不同磚粉摻量下磚粉砌塊的7 d、28 d 抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度變化曲線如圖1、圖2 所示。當(dāng)磚粉摻量分別為20%、30%、40%、50%、60%、70%時(shí)，磚粉砌塊的7 d 抗折強(qiáng)度分別為2.2 MPa、1.87 MPa、1.43 MPa、1.63 MPa、1.47 MPa、1 MPa；磚粉砌塊的28 d 抗折強(qiáng)度分別為2.45 MPa、3.13 MPa、3.65 MPa、3.91 MPa、3.3 MPa、1.85 MPa；磚粉砌塊的7 d 抗壓強(qiáng)度分別為8.78 MPa、6.25 MPa、4.77 MPa、4.78 MPa、3.63 MPa、2.3 MPa；磚粉砌塊的28 d 抗壓強(qiáng)度分別為10.08 MPa、10.74 MPa、11.13 MPa、10.04 MPa、8.92 MPa、5.94 MPa。磚粉摻量為20%時(shí)，磚粉砌塊的7 d 抗折強(qiáng)度與7 d抗壓強(qiáng)度最大，此時(shí)磚粉砌塊的7 d 抗折強(qiáng)度為2.2 MPa，7 d 抗壓強(qiáng)度為8.8 MPa。隨著磚粉摻量的增加，砌塊的7 d 抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)“下降－上升－下降”的變化趨勢(shì)，砌塊的7 d 抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)“下降－不變－下降”的變化趨勢(shì)。原因在于，磚粉在砌塊養(yǎng)護(hù)早期較少參與水化反應(yīng)，在替換相同量水泥的情況下會(huì)使砌塊本身的膠凝材料減小，最終導(dǎo)致砌塊的7 d 強(qiáng)度降低。

磚粉摻量為50%時(shí)，磚粉砌塊的28 d 抗折強(qiáng)度最高，為3.91 MPa。磚粉摻量為40%時(shí)，磚粉砌塊的28 d 抗壓強(qiáng)度最高，為11.13 MPa。隨著磚粉摻量的增加，砌塊的28 d 抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。原因在于，在養(yǎng)護(hù)后期，磚粉活性表現(xiàn)活躍，能夠與石灰、石膏一起參與水化反應(yīng)。當(dāng)磚粉摻量較低時(shí)，磚粉未能與石灰、石膏一起有效參與水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物少，砌塊強(qiáng)度低，隨著磚粉摻量的增加，石灰、石膏含量降低，水化產(chǎn)物增加，砌塊的28 d 強(qiáng)度升高。當(dāng)磚粉摻量較高時(shí)，多余的磚粉不能生成有強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致砌塊28 d 抗折、抗壓強(qiáng)度降低。摻量超過(guò)50%時(shí)，磚粉砌塊的28 d 強(qiáng)度降低十分明顯，因此建議實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，磚粉的摻量不宜超過(guò)50%。

2.2 磚粉砌塊的強(qiáng)度增長(zhǎng)率

不同磚粉摻量下磚粉砌塊的7 d 至28 d 抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率變化曲線如圖3、圖4 所示。強(qiáng)度增長(zhǎng)率=（28 d 抗折強(qiáng)度或抗壓強(qiáng)度－7 d 抗折強(qiáng)度或抗壓強(qiáng)度）/7 d 抗折強(qiáng)度或抗壓強(qiáng)度。當(dāng)磚粉摻量分別為20%、30%、40%、50%、60%、70%時(shí)，磚粉砌塊的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為11.4%、67.4%、155.2%、139.9%、124.5%、85%；磚粉砌塊的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為14.8%、71.8%、133.3%、110%、145.7%、158.2%。磚粉摻量為20%時(shí)，磚粉砌塊的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率最低，分別為11.4%、14.8%。磚粉摻量為50%時(shí)，磚粉砌塊的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率最高，為155.2%。磚粉摻量為70%時(shí)，磚粉砌塊的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率最高，為158.2%。原因在于，磚粉雖然具有火山灰性，但前期活性低，后期活性高。

2.3 土壤固化劑對(duì)磚粉砌塊強(qiáng)度的影響

不同土壤固化劑摻量下磚粉砌塊的7 d 抗折、抗壓強(qiáng)度與28 d 抗折、抗壓強(qiáng)度變化曲線如圖5、圖6 所示。當(dāng)土壤固化劑摻量分別為0%、0.5%、1%、1.5%、2%時(shí)，磚粉砌塊的7 d 抗折強(qiáng)度分別為1 MPa、1.3 MPa、1.6 MPa、1.5 MPa、1.4 MPa；磚粉砌塊的28 d 抗折強(qiáng)度分別為2 MPa、2.6 MPa、3.1 MPa、2.9 MPa、2.85 MPa；磚粉砌塊的7 d 抗壓強(qiáng)度分別為2.2 MPa、3 MPa、3.9 MPa、3.6 MPa、3.5 MPa；28 d 抗壓強(qiáng)度分別為6.1 MPa、6.9 MPa、7.5 MPa、7.2 MPa、7.1 MPa。隨著土壤固化劑摻量的增加，磚粉砌塊的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)；當(dāng)土壤固化劑摻量為1%時(shí)，砌塊的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度最高。原因在于，土壤固化劑可以促進(jìn)水泥、磚粉、石灰和石膏形成致密、穩(wěn)定，較高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)。當(dāng)土壤固化劑摻量超過(guò)1%，磚粉砌塊的力學(xué)性能不再提升。原因在于，土壤固化劑是酸性物質(zhì)，土壤固化劑摻量低時(shí)，對(duì)拌合料的堿性環(huán)境的影響可以忽略；當(dāng)土壤固化劑摻量過(guò)高時(shí)，對(duì)拌合料的堿性環(huán)境的影響不可以忽略，它的存在降低了拌合料的堿性指數(shù)，導(dǎo)致磚粉砌塊抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度有所降低。

3 結(jié)論

（1）磚粉的主要化學(xué)成分是SiO2，含有少量的Al2O3、Fe2O3與CaO，磚粉具有火山灰性和水化活性，前期活性低，后期活性高；

（2）磚粉摻量為50%時(shí)，磚粉砌塊的28 d 抗折強(qiáng)度最高，為3.91 MPa。磚粉摻量為40%時(shí)，磚粉砌塊的28 d 抗壓強(qiáng)度最高，為11.13 MPa；

（3）50%以上的磚粉替代水泥量使磚粉砌塊的28 d 強(qiáng)度降低十分明顯，建議實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，磚粉的摻量不宜超過(guò)50%；

（4）土壤固化劑可以有效提高磚粉砌塊的強(qiáng)度，當(dāng)土壤固化劑摻量為1%時(shí)，效果最佳。